4.1 Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используют в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.

Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, швеллеры, трубы и т.п.). Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных - «пс», в кипящих - «кп». Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп.

Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 – Ст6, кипящими - Ст1 - Ст4. Сталь СтО по степеням раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С < 0,23 %), серы (S < 0,06 %) и фосфора (Р < 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Мn, Si, P, а также As. Содержание элементов в углеродистых сталях обыкновенного качества приведено в таблице 3.

Концентрация марганца возрастает от 0,25 - 0,50 % в стали Ст1 до 0,50 -0,80 % в стали Ст6. Три марки стали производят с повышенным (0,80 -1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали:

1.У кипящих - не более 0,05 %;

2.У полуспокойных - не более 0,15 %;

3.У спокойных - не более 0,30 %.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t₅₀. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет -20; -10 и 0 соответственно.

Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535-88 и приведены в таблице 4.[4]

Таблица 3 - Содержание элементов (%) в углеродистых сталях обыкновенного качества. [4]

Марка стали	С	Mn			Si		S	Р
				кп	пс	сп	не более
Ст0	0,23	-		-	-	-	0,06	0,07
Ст1	0,06-0,12	0,25-0,5		0,05	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст2	0,09-0,15	0,3-0,65		0,05	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
СтЗ	0,14-0,22	0,4-0,7		0,07	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст4	0,18-0,27	0,5-0,8	0	0,07	0,05-0,17	0,12-0,30	0,05	0,04
Ст5	0,28-0,37	0,5-0,8		-	0,05-0,17	0,15-0,35	0,05	0,04
Ст6	0,38-0,49	0,8-0,11		-	0,05-0,17	0,15-0,35	0,05	0,04
СтЗГ	0,14-0,22	-		-	0,05-0,17	-	0,05	0,04

Таблица 4 - Механические свойства углеродистых спокойных и полу спокойных сталей обыкновенного качества. [4]

Марка стали	, МПа	, МПа		Марка стали	в, МПа	, МПа
СтО	310	-	20	Ст4	410-530	265	24
Ст1	320-420	-	31	Ст5	490-630	295	20
Ст2	340-440	-	29	Ст6	590	315	15
СтЗ	380-490	255	26

Из перечисленных марок сталей наибольшее применение в строительстве для изготовления сварных металлоконструкций находит сталь СтЗ. По сравнению с ней стали марок СтО и Ст2 менее прочные. Степень раскисления стали мало влияет на прочность и пластичность стали. Показатели и у спокойных и полуспокойных сталей лишь на 10 -20 МПа выше, чем у кипящих. Однако по ударной вязкости и, прежде всего, по хладноломкости кипящие стали существенно отличаются от спокойных.

Порог хладноломкости кипящей стали на 30 — 40 °С выше, чем у спокойной. Это проявляется при определении порога хладноломкости по всем показателям: ударной вязкости, % волокна в изломе, работе развития и зарождения трещины. Полуспокойная сталь по хладноломкости занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, в прокате же небольших сечений (до 10-15 мм) полуспокойная сталь по хладноломкости приближается к спокойной. Хладноломкость кипящей стали обусловлена наличием в твердом растворе азота, не связанного в нитриды, и высоким содержанием вредных примесей (Р, S, О, Н) необходимо отметить, что кипящая сталь наиболее склонна к деформационному старению.

Несмотря на то, что кипящая сталь наиболее дешевая, применение ее для конструкций и сооружений, эксплуатируемых при низких климатических температурах, а также для сварных конструкций, находящихся под воздействием вибрационных и динамических нагрузок (ответственные сооружения), недопустимо. Для строительства наиболее ответственных сооружений следует применять только спокойную сталь.

Однако углеродистые стали обыкновенного качества зачастую не обеспечивают требуемых свойств по хладостойкости при эксплуатации сварных металлоконструкций в условиях Сибири и Крайнего Севера, т.е. в районах с низкими климатическими температурами. Для мостовых сталей северного исполнения ограничивают содержание серы и фосфора (< 0,03% Р, < 0,025% S) и нормальную площадь излома (> 60% с волокнистым старением). Другим существенным недостатком строительных) углеродистых сталей является их малая прочность, что приводит к большому расходу металла и увеличению массы металлоконструкции. Повысить прочность и хладостойкость можно путем термического упрочнения.

Термоупрочнение является эффективным методом повышения

прочности углеродистых сталей. Сущность метода термоупрочнения проката состоит в том, что по окончании прокатки сталь из аустенитного

состояния охлаждается ускоренно, в результате чего образуется более

низкотемпературные продукты распада, чем в обычной горячекатаной стали.

В горячекатаной стали аустенит как в центре проката, так и на его поверхности распадается в верхней части перлитной области, в результате чего образуется феррито-перлитная структура. При термоупрочнении температура превращения аустенита значительно понижается, в результате чего в центральных зонах проката частично предотвращается

выделение избыточного феррита и получается перлит более дисперсного строения - псевдоэвтектоид (иногда частично бейнит). В поверхностных слоях проката небольшого сечения возможно образование мартенсита, однако из-за высокой температуры начала мертенситного превращения в стали с низким содержанием углерода (М_н = 400 - 450 °С при 0,2 % С) будет протекать самоотпуск мартенсита.

Кроме того, технология термоупрочнения проката в большинстве случаев предусматривает ускоренное охлаждение только в течение определенного времени (прерванное охлаждение), по окончании которого температура поверхностных слоев проката повышается за счет тепла внутренних слоев. Поэтому через некоторое время после того, как охлаждение прервано, температуры центра и поверхности выравниваются, и происходит самоотпуск стали. При такой технологии термоупрочнения дополнительный отпуск стали не требуется, а проведенная термическая обработка проката является окончательной. Необходимо отметить, что при термоупрочнении стали закалки стали фактически не происходит (кроме некоторых случаев закалки тонких поверхностных слоев). Обусловлено это тем, что низкоуглеродистая нелегированная сталь имеет низкую устойчивость переохлажденного аустенита и, следовательно, весьма большую верхнюю критическую скорость охлаждения при закалке (500 -1000 °С/с), а также высокую температуру начала мартенситного превращения. Поэтому при охлаждении реальных профилей проката обеспечить закалку на мартенсит практически невозможно.

Заметное изменение структуры стали в результате термоупрочнения по сравнению с горячекатаной сталью вызывает существенное изменение механических свойств стали (таблица 5).

Прочность стали возрастает в 1,3 - 1,5 раза при сохранении высоких значений пластических свойств. Степень упрочнения может быть увеличена еще посредством уменьшения температуры самоотпуска или, что равнозначно, увеличения времени охлаждения в воде.

Процесс термоупрочнения при оптимальной технологии наряду с упрочнением обеспечивает понижение порога хладноломкости и снижение склонности к деформационному старению. Значение степени упрочнения, при котором порог хладноломкости повышается, будет различным для разных профилей проката и марок стали. Но даже и в толстостенных профилях проката упрочнение сопровождается увеличением критической температуры хрупкости выше, чем для горячекатаной стали.

Таблица 5 - Механические свойства горячекатаной (числитель) и термоупрочненной (знаменатель) углеродистой стали Ст3.[3]

Марка стали	Режим термоупрочнения					К*
		МПа		%
СтЗсп	С прокатного нагрева с самоотпуском	440/640	340/470	28,5/15,2	56,5/53,5	1,45
СтЗпс	-	410/580	240/380	33,5/15,5	57/56,5	1,41
СтЗкп	-	420/550	260/360	32,5/21,5	-	1,3

где К – степень упрочнения

Таким образом, термоупрочнение углеродистых строительных сталей позволяет повысить прочностные характеристики стали в 1,3 - 1,5 и более раз, снизить порог хладноломкости (для большинства видов проката) или сохранить его на прежнем уровне, при этом характеристики пластичности стали остаются соответствующими нормам стандартов. В результате использования термоупрочненного проката в строительстве достигается экономия металла от 15 до 60 % и повышается надежность металлоконструкций и сооружений. Термоупрочнение с прокатного нагрева позволяет получить в металлургии большую экономию капиталовложений, топлива и энергии, уменьшить потери металла в окалину. Недостатком процесса термоупрочнения является коробление проката и необходимость его правки. Эти недостатки устранимы при оптимальной технологии производства.

Термоупрочненная углеродистая сталь для сварных металлических конструкций обозначается СтТсп, СтТпс и СтТкп. В соответствии с ГОСТ 14637-79 такая сталь содержит 0,10 - 0,21 % С и 0,4 - 0,65 % Мn. Для листов толщиной 10-40 мм гарантируются следующие механические свойства: 430 МПа, 295 МПа, 16 %, KCU0,3 МДж/м², после механического старения KCU 0,3 МДж/м .

Из сталей обыкновенного качества изготавливают горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки нашли широкое применение в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и др.). Стали Ст1, Ст2, Ст3 широко используются для сварных конструкций. [3]